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新突破!中國學者首次實現基于無人機的量子糾纏分發

發布時間:2020-01-21 09:49:22來源:科技日報

  一架重約 35 千克的八軸旋翼飛行器緩緩升空,當升至幾十米的高度時,分別向 100 米外的地面A、B兩點射出一對糾纏光子,兩個光子在歷經大氣湍流、雨水、陽光等干擾后,仍能幾乎完好地抵達地面。

  南京大學祝世寧、謝臻達、龔彥曉團隊歷時兩年多研發的這套系統,在國際上首次實現基于無人機的量子糾纏分發,填補了該領域的空白。

  1 月 20 日,科技日報記者從南京大學獲悉,著名期刊《國家科學評論》(National Science Review)近日發表了這一研究成果。有評論指出,量子通信的“下一個最佳選擇可能是相對便宜的無人機”。

  量子糾纏是一種奇異的量子力學現象,處于糾纏態的兩個光子不論相距多遠都存在一種關聯,其中一個量子狀態發生改變,另一個的狀態會瞬時發生相應改變。如果能把制備好的兩個糾纏光子分別發送到兩個點,通過觀察兩個點的投影測量結果,就可以驗證量子糾纏是否存在。

  這種“心靈感應”似的神秘關聯,用于量子通信領域,對于監測信息傳輸的安全性極具意義,被譽為是未來通信的“機密武器”。

  此前,量子糾纏分發主要有兩種,一種需依托光纖鏈路,一種是在衛星和地面之間的自由空間分發傳輸。

  “光纖傳輸需要鋪設光纖、借助光纖網絡,遠距離傳輸會有信息損耗;

  而衛星傳輸,受軌道限制,同時還要參考一定的時間窗口,通信量受約束。

  而用無人機進行量子糾纏分發,具有機動快速、按需組網、易于擴展、成本低廉的特點。”中國科學院院士、南京大學教授祝世寧說。

  從 2017 開始,研究團隊便輾轉南京、石家莊、蘭州做實驗,最終,他們實現了基于無人機的量子糾纏分發。這架八軸旋翼無人機,可以搭載 10 千克的量子通信系統,在空中分別向 100 米外的A、B兩個便攜式地面站發送光子,測量結果顯示,A、B兩點光子糾纏態的貝爾不等式S值達到 2.49,量子糾纏分發獲得成功。


科研團隊在進行實驗。

  “我們的實驗結果證明傳輸鏈路穩定,損耗比較低。”團隊研究成員之一、南京大學教授謝臻達說,量子糾纏分發是量子通信的重要手段之一,實驗的成功,預示著利用無人機構建量子通信網絡是有可能的。

  實驗的成功,來自無人機上搭載的諸多系統,例如高性能集成化量子糾纏光源、光信號收發一體系統等。謝臻達介紹,無人機搭載糾纏光源凈重 468 克,比傳統技術的糾纏光源輕一個量級以上。而輕量級的糾纏光源對于無人機等更小的傳輸平臺來說,負擔更輕,應用場景更廣,但性能并不受影響。該光源每秒可產生 240 萬對糾纏光子,這意味著產生效率很高,有利于提升量子糾纏分發的速率。


無人機的夜間實驗。

  在白天,來自太陽的干擾很多,單光子的光很弱,不容易被發現,量子糾纏態很容易被淹沒在噪聲中。

  遇到雨天,設備和傳輸鏈路也有可能受影響,為此,研究團隊設計了一種反應快速的輕量化收發跟蹤系統。

  “我們把地面接收系統的光纖孔徑設計的很小,只有幾微米,接收范圍越小,抗干擾性就越強,將光盡量精準地收集到接收系統里,鏈路損耗就會小。”謝臻達說,根據實驗結果,單光子測量可以在白天、雨天等多種條件下正常進行,這意味著基于無人機的量子糾纏分發,有可能讓量子通信網絡隨時隨地按需覆蓋。
  (邯鄲網站建設

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